DE10057863C2 - Mehrdruckverfahren zur Herstellung von Ammoniak - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak NH₃ unter Druck aus Synthesegas, welches gemäß Reaktion (1)

3H₂ + N₂ → 2NH₃ (1)

die Reaktanden Wasserstoff H₂ und Stickstoff N₂ enthält sowie üblicherweise gegen­ über der Reaktion (1) inerte Komponenten wie Methan und Edelgase, die die Reak­ tion (1) hinsichtlich ihres Umsetzungsgrades beeinträchtigen, im folgenden als "Inerte" bezeichnet. Verfahren dieser Art werden üblicherweise so betrieben, dass zunächst das frische Synthesegas mehrstufig auf einen hohen Druck verdichtet wird, und dann das verdichtete, frische Synthesegas in einen Kreislauf eingespeist wird, der durch ei­ nen oder mehrere katalysatorgefüllte Reaktoren geführt wird, in denen Ammoniak er­ zeugt wird. Im Kreislauf ist ein Abscheidesystem vorgesehen, mit dem das erzeugte Ammoniak aus dem Kreislauf in flüssiger Form entnommen wird.

Um eine Anreicherung der im entnommenen Ammoniak nur in geringer Konzentration löslichen Inerten im Kreislauf zu vermeiden, wird beständig ein Teil des im Kreislauf geführten Gases als Spülgas ausgeschleust. Aus diesem ausgeschleusten Spülgas werden Reste von Ammoniak ausgewaschen und der Wasserstoffanteil, gegebenenfalls auch der Stickstoffanteil, werden beispielsweise mittels Membrantech­ nik oder Tieftemperaturzerlegung abgeschieden und zurückgewonnen. Die verbleiben­ den Inerte, z. B. Methan, Argon, Helium und gegebenenfalls der verbleibende Stickstoff werden verworfen bzw. anderweitig zu Heizzwecken verwertet. Das zurückgewonnene Gas wird dem frischen Synthesegas vor der Verdichtung beigemischt und auf diese Weise verwertet. Es ist energetisch ungünstig, größe Spülgasmengen aus dem Kreislauf auszuschleusen, da somit große Mengen an Gas bei der Trennung einem Druckverlust unterworfen wird und danach wieder aufwendig rückverdichtet werden müssen.

Aus diesem Grund wird eine Anreicherung der inerten Gasbestandteile von ursprünglich 1 bis 2 Vol.% im frischen Synthesegas bis auf 10 bis 20 Vol.% innerhalb des Kreislaufgases in Kauf genommen, obwohl mit diesen hohen Inertenkonzentratio­ nen zwangsläufig der Nachteil verbunden ist, dass die Partialdrücke der an der Reak­ tion teilnehmenden Gase, die allein maßgeblich für die Lage des Reaktionsgleichge­ wichts als treibende Kraft der Reaktion sind, beträchtlich niedriger liegen als in einem inertenfreien Synthesekreislauf. Aus diesem Grund müssen auch die Katalysatorvolu­ mina und die sie enthaltenden Reaktoren deutlich größer dimensioniert werden, als dies ohne Inerte im Synthesekreislauf erforderlich wäre.

Die trotz der beschriebenen Nachteile in Kauf genommene Anreicherung der Inerten im Kreislauf gegenüber deren ursprünglichem Gehalt im Frischgas zeigt den technischen Widerspruch auf, der dadurch entsteht, dass bei geringerer Spülgas­ menge und somit höherem Inertengehalt die Betriebskosten, insbesondere die Ver­ dichtungskosten, abnehmen, die Investitionskosten wegen der größeren erforderlichen Katalysatorvolumina, alternativ der erforderlichen teureren Katalysatorqualitäten, etwa auf Rutheniumbasis, jedoch steigen. Dieser technische Widerspruch lässt sich nach dem herkömmlichen Stand der Technik nicht auflösen. Der Fachmann ist daher darauf angewiesen, einen Kompromiss zu schließen und mittels aufwendiger Betriebskosten­ rechnung und Investitionskostenrechnung ein Kostenoptimum zu finden.

Bei der Synthese entsteht im Reaktor aus dem Synthesegas das Produkt­ gas. Es besteht im wesentlichen aus dem nicht umgesetzten Teil des Einsatzgases, dem gebildeten Ammoniak und den Inerten. Am Ausgang des Reaktors liegt das er­ zeugte Ammoniak gasförmig vor. Um das Ammoniak vom Produktgas zu trennen, muss es kondensiert werden, damit es flüssig aus dem Kreislauf abgezogen werden kann. Da der Taupunkt des Ammoniaks von dessen Partialdruck und der Temperatur abhängt, sind ein hoher Synthesedruck und eine hohe Ammoniakkonzentration einer­ seits sowie eine niedrige Temperatur andererseits zur Kondensation des Produktes vorteilhaft. Eine hohe Ammoniakkonzentration lässt sich mittels großen Katalysatorvo­ lumina sowie geringen Inertenkonzentrationen erzielen, ein hoher Synthesedruck be­ deutet entsprechenden Energieaufwand für die Synthesegasverdichtung und eine nied­ rige Abkühltemperatur setzt die entsprechenden Kühlvorrichtungen für das Kreislauf­ gas voraus.

Um das erzeugte Ammoniak innerhalb des Kreislaufes mittels Wärmever­ schiebungssystemen, Wasser bzw. Luftkühlung und/oder zusätzlichen Kühlkreisläufen derart abkühlen zu können, dass es kondensiert und somit flüssig abgezogen werden kann, wird üblicherweise ein Synthese-Arbeitsdruck zwischen 150 und 280 bar ge­ wählt. Dieser relativ hohe Druck bietet den Vorteil, dass ein Großteil des Ammoniaks schon bei relativ hohen Temperaturen, wie sie mittels Wasserkühlung (z. B. Kühlung auf 30-40°C) erreicht werden können, kondensiert. So liegt z. B. für eine Produktkon­ zentration von 20 mol.% bei einem Synthesedruck von 200 bar der Taupunkt bei ca. 57°C. Durch eine Wasserkühlung auf z. B. 35°C lässt sich der Ammoniakgehalt im Gas bis auf 11,2 mol.% senken und damit bereits 59% der auskondensierbaren Pro­ duktmenge gewinnen. Da das Kreislaufgas, das zum Reaktor zurückgeführt wird, eine möglichst geringe Ammoniakkonzentration, in diesem Beispiel 3,8 mol.-%, aufweisen sollte, wird in der Regel ein zusätzlicher Tiefkühlkreislauf der Wasserkühlung nachge­ schaltet, um mit noch niedrigeren Temperaturen (z. B. Kühlung auf -10°C bis 0°C) weiteres Produkt auszukondensieren. Dieser Tiefkühlkreislauf benötigt Energie zur Rückverdichtung des verdampften Kältemittels. Bei den zuvor genannten hohen Syn­ thesedrücken ist der Produktanteil, der mittels Tiefkühlung kondensiert werden muss, gering und es wird entsprechend wenig Energie für den Kältemittelverdichter benötigt.

Daraus wird sichtbar, weshalb der Fachmann geneigt ist, den Synthesear­ beitsdruck, wie oben gesagt, in der Regel im Bereich zwischen 150 und 280 bar zu halten, wobei auch Ausnahmen bekannt geworden sind, in denen der Synthesedruck bis auf 60 bar abgesenkt wurde. Beispiele dafür sind in den Schriften EP 000 993, EP 093 502 und EP 179 392 beschrieben. Da bei Verringerung des Synthesedruckes das Volumen herkömmlicher Magnetitkatalysatoren überproportional anstiege, und somit auch die baulichen Anforderungen an die Reaktoren, beruhen die genannten Verfahren auf der Verwendung von hochaktiven Katalysatoren. Von dem mit Kobalt dotierten Magnetitkatalysator werden dabei immer noch beträchtliche Mengen benötigt und der Rutheniumkatalysator ist aufgrund seines Edelmetallgehaltes entsprechend teuer.

Je niedriger der Synthesedruck liegt, um so mehr verkleinert sich der Anteil der Wärme, der mittels Wasser- oder Luftkühlung abgeführt werden kann und derje­ nige Anteil an Wärme, der mittels Tiefkühlung abzuführen ist, vergrößert sich entspre­ chend. Hieraus ergibt sich ein weiterer technischer Widerspruch, wenn man wie üblich davon ausgeht, dass die Tiefkühlung einen Kältekreislauf mit einer Verdichtungseinheit erfordert. Während der Verdichtungsaufwand für den Synthesekreislauf mit abneh­ menden Synthesedruck abnimmt, steigt der Verdichtungsaufwand für den Kältekreis­ lauf, weil mehr Kälte für die Abscheidung des im Synthesekreislauf erzeugten Ammo­ niaks benötigt wird. In den Niederdruckverfahren wird der Kondensationsanteil vor der Tiefkühlung dadurch erhöht, dass ein sehr niedriger Inertengehalt über einen hohen Spülgasstrom eingestellt wird. Die Problematik mit Inertenanreicherung tritt wie in der Hochdruck-Synthese auf, ein geringer Inertengehalt erhöht die Produktkonzentration und somit den Taupunkt. Auch hier muss der Fachmann einen Kompromiss schließen und mittels aufwendiger Betriebskostenrechnung und Investitionskostenrechnung ein Kostenoptimum finden.

Seit vielen Jahren wird die großtechnische Herstellung von Ammoniak in großen, einsträngigen Anlagen durchgeführt. Die Einsträngigkeit ergibt sich aus den hohen Kosten für ein bei hohem Druck im Kreislauf geführtes System sowie den hohen Kosten für den Verdichtungsprozess, welche beide einer hohen Degression mit zu­ nehmendem Durchsatz unterliegen. Es besteht daher ein langjähriges technisches Vorurteil, dass eine wirtschaftliche Produktion von Ammoniak nur in einer einsträngigen Anlage durchgeführt werden kann.

Es wurde nur selten der Versuch unternommen, einer solchen einsträngigen Anlage einen weiteren Strang hinzuzufügen, wie es etwa die Schrift DD 225 029 beschreibt. In dieser Schrift werden zwei nacheinander angeordnete Hochdruck-Syn­ thesen auf gleichem Druckniveau beschrieben, von denen die erste ein Frischgassys­ tem und die zweite ein konventionelles Kreislaufsystem ist, und darauf abgezielt wird, die im Kreislaufsystem erzeugte Ammoniakproduktion um den Betrag zu verringern, der sich im vorangeschalteten Frischgassystem erzeugen lässt, und die Kreislauf­ mengen entsprechend zu verringern. Das System konnte sich jedoch während 20 Jah­ ren auf dem Markt nicht durchsetzen, wodurch das technische Vorurteil, nur einsträn­ gige Anlagen könnten wirtschaftlich sein, sich zu bestätigen schien. Die oben be­ schriebenen technischen Widersprüche gelten im Übrigen auch für das in DD 225 029 beschriebene Reaktionssystem unverändert. Weitere Verfahren mit jeweils mindestens zwei Synthesesystemen sind aus den Schriften EP 075 056 A1, US 1,931,678 A, US 1,593,657 A und US 1,550,806 A bereits bekannt. Bei den in EP 075 056 A1, US 1,931,678 A, und US 1,550,806 A beschriebenen Systemen erfolgt die Synthese ebenfalls bei im wesentlichen gleichem Druck, bei dem in US 1,593,657 A beschriebenen System ist der Druck im nachfolgenden System geringer als im vorangehenden System.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die oben genannten Nachteile zu überwinden und ein wirtschaftliches Verfahren zu Herstellung von Ammoniak zur Ver­ fügung stellen.

Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass die Synthese von Ammoniak aus Synthesegas nacheinander in verschiedenen Synthesesystemen erfolgt, wobei in allen Synthesesystemen aus jeweils einem Teil des Synthesegases Ammoniak erzeugt und davon ein Teil ausgeschleust wird, und jedes nachfolgende Synthesesystem einen höheren Druck als das jeweils vorangegangene Synthesesystem aufweist. Unter einem Synthesesystem wird dabei ein Reaktionssystem verstanden, welches einen Reaktor und eine Einrichtung zur Abscheidung des erzeugten Ammoniaks enthält. Unter höherem Druck wird dabei ein Druckunterschied verstanden, der die Druckverluste innerhalb des Synthesesystems übersteigt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das erste Synthese­ system als Frischgassystem ausgeführt

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden mit Ausnahme des letzten Synthesesystems alle Synthesesysteme als Frischgassysteme ausgeführt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das letzte Synthese­ system als Kreislaufsystem ausgeführt wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird jedes Synthesesystem durch mindestens eine Verdichtungsstufe von dem jeweils darauf folgenden Synthese­ system getrennt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Spülgasstrom, der aus einem Synthesesystem mit einem höheren Druck ausgeschleust wird, nach Ab­ trennung und Ausschleusung von Inertgasbestandteilen, Ammoniak und möglichen weiteren Gasbestandteilen als Einsatzstrom in ein Synthesesystem mit einem niedrige­ ren Druck eingespeist

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dieser Spülgasstrom derart vergrößert, dass die Anreicherung mit Inerten in dem System mit dem höchsten Druck nicht mehr als 10 mol.% beträgt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in mindestens einem Frischgasreaktor Katalysatormaterial verwendet, welches Magnetit mit Promotoren für Niederdruck-Synthesesysteme enthält.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in mindestens einem Frischgasreaktor Katalysatormaterial verwendet, welches Edelmetall, z. B. Ruthenium enthält und hochaktiv ist.

Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft anhand von 3 Verfahrensskiz­ zen näher erläutert: Es zeigen:

Fig. 1 Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit einem unter ge­ ringerem Druck betriebenen Synthesesystem und einem unter höherem Druck betriebenen Synthesesystem

Fig. 2 Eine vorteilhafte Einbindung des aus dem unter geringerem Druck betriebenen Synthesesystem abgezogenen Einsatzgases in das unter höherem Druck betriebenen Synthesesystem für eine Neuanlage oder eine Nachrüstung einer Altanlage

Fig. 3 Eine alternative Einbindung des aus dem unter geringerem Druck betriebenen Synthesesystem abgezogenen Einsatzgases in das unter höherem Druck betriebenen Synthesesystem für eine Neuanlage oder eine Nachrüstung einer Altanlage

Fig. 4 Eine Prinzipskizze für eine Anordnung mit mehreren Frischgas- Synthesesystemen und einem Kreislauf-Synthesesystem

Zum besseren Verständnis des Kerns der Erfindung wird auf die Darstellung des Wär­ meverbund-Systems und auf die Darstellung der mechanischen Verbindung der ein­ zelnen Verdichterstufen sowie deren Anzahl verzichtet.

Fig. 1 stellt dar, dass frisches Synthesegas 1 in einer Vorverdichtung 2 auf einen Druck von ca. 60 bis 130 bar, vorzugsweise 90 bis 115 bar, verdichtet wird, so­ fern das frische Synthesegas 1 nicht schon bei einem solchen Druck aus der üblicher­ weise vorgeschalteten Synthesegaserzeugungsanlage vorgelegt wird. Diesem vorver­ dichteten Synthesegas 3 wird das Rückführgas 4 beigemischt. Das sich ergebende Synthesegas 5 wird zunächst im ersten, unter geringem Druck betriebenen Synthese­ system 6 eingesetzt. Dort durchläuft es nacheinander den Frischgasreaktor 7 für die Synthese von Ammoniak, der auch aus mehreren Einzelreaktoren bestehen kann, die Kühl- und Kondensationsstrecke 8 zum Auskondensieren des gebildeten Ammoniaks bei abgesenkter Temperatur und den Ammoniakabscheider 9 zur Abscheidung des aus der Gasphase auskondensierten Ammoniaks als flüssiges Ammoniak 10. Aufgrund der Reaktionsbedingungen verläuft die Ammoniaksynthese im Frischgasreaktor 7 be­ kanntlich nur unvollständig, es wird also nur ein Teil des frischen Synthesegases 1 im Frischgasreaktor 7 verbraucht. Das den Ammoniakabscheider 9 verlassende restliche Synthesegas 11 wird in der Nachverdichtung 12 auf den Druck verdichtet, der für die Einspeisung in das zweite Synthesesystem 13, welches bei höherem Druck, etwa 150 bis 280 bar, betrieben wird, erforderlich ist.

In dem nachfolgenden Synthesesystem 13 findet eine Ammoniaksynthese in einem Kreislaufsystem nach dem herkömmlichen Stand der Technik statt, wobei das erzeugte Ammoniak als flüssiges Ammoniak 14 abgezogen wird. Um die Anreicherung von inerten Gaskomponenten zu begrenzen, wird kontinuierlich ein Spülstrom 15 ab­ gezogen. Aus diesem Spülstrom 15 wird in einer Aufbereitungseinheit 16 zunächst Ammoniak ausgewaschen und als flüssiges Ammoniak 17 ausgeschleust, und danach werden die inerten Gasbestandteile und gegebenenfalls auch Stickstoff vom wertvollen Wasserstoff getrennt. Der auf diese Weise zurückgewonnene Wasserstoff wird als Rückführgas 4 in den Prozess zurückgeführt, anstelle der in Fig. 1 gezeigten Zumi­ schung nach der Vorverdichtung 2 kann auch eine Rückführung 19 vor die Vorver­ dichtung 2 sinnvoll sein (gestrichelt dargestellt), je nachdem bei welchem Druck der Rückführstrom aus der Aufbereitungseinheit 16 anfällt. Selbstverständlich sind auch beide Zumischungsarten parallel möglich, beispielsweise bei einer mehrstufigen Gastrennung innerhalb der Aufbereitungseinheit 16. Je nach Gestaltung der Aufbe­ reitungseinheit 16 kann neben dem Wasserstoff auch Stickstoff zurückgewonnen wer­ den. Die Rückführung hat den Vorteil, dass weniger frisches Synthesegas 1 erzeugt werden muss, was insbesondere angesichts des energetischen und apparativen Auf­ wands für die Wasserstofferzeugung von Vorteil ist.

Die in der Aufbereitungseinheit 16 abgetrennten Restgase, im wesentlichen Methan und Edelgase, gegebenenfalls auch Stickstoff, werden als Inertgasausschleu­ sung 18 aus dem Prozess ausgeschleust und können energetisch wie auch exerge­ tisch weiterverwertet werden.

Der technische Widerspruch zwischen Inkaufnahme von Inertenanreiche­ rung im Kreislauf des Hochdruck-Synthesesystems einerseits und erhöhtem Aufwand für Rückverdichtung andererseits besteht hier nicht mehr, wenn das aus dem Spülgas in der Aufbereitungseinheit 16 zurückgewonnene Rückführgas 4 in ein Synthesesys­ tem mit geringerem Druck vollständig zurückgeführt werden kann, ohne dass eine Rückverdichtung erforderlich wäre, was ein Vorteil der Erfindung ist. Es ist daher problemlos möglich, eine Anreicherung von Inerten im Kreislaufsystem wesentlich wirt­ schaftlicher zu verringern.

Vergleicht man eine herkömmliche, bei hohem Druck betriebene Ammoni­ aksynthese mit einem Hochdruck-Synthesesystem gleicher Kapazität der vorliegenden Erfindung, so zeigt sich, dass das Hochdruck-Synthesesystem der vorliegenden Erfin­ dung bei gleichem Synthesedruck deutlich effizienter arbeiten kann, da der geringere Gehalt an Inerten die erforderlichen Katalysatorvolumina deutlich verringert, den Am­ moniakpartialdruck am Reaktorausgang erhöht, somit auch den Ammoniaktaupunkt verschiebt, somit auch die Kühlmittelansprüche beim Auskondensieren des erzeugten Ammoniaks verringert und aufgrund der insgesamt geringeren Kreisgasmenge auch weniger Aufwand bei der Kreisgasförderung hervorruft, was alles Vorteile der Erfindung sind.

Im Vergleich zu herkömmlichen, bei niedrigem Druck betriebenen Ammoni­ aksynthesen besitzt das Niederdruck-Synthesesystem der erfindungsgemäßen Ammo­ niaksynthese den Vorteil, dass thermodynamisch günstigere Reaktionsbedingungen bestehen, da auch hier der Inertengehalt aufgrund des Frischgasverfahrens sehr ge­ ring ist, auch falls mehrere Frischgassysteme hintereinander angeordnet sind, steigt der Inertengehalt nur langsam von System zu System an. Daher werden auch in die­ sen Anlagenteilen geringere Katalysatorvolumina, oder alternativ ein geringeres Ver­ hältnis von hochaktiven zu Standardkatalysatoren, als bisher üblich benötigt, was ein Vorteil der Erfindung ist. Beispielsweise können hochaktive, verbesserte Magnetitka­ talysatoren mit Promotoren für niedrigen Druck sowie Edelmetallkatalysatoren, etwa auf Rutheniumbasis, in kleineren Mengen wirtschaftlich eingesetzt werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Aufteilung der Produktion auf mehrere Synthesesysteme sehr große Anlagenkapazitäten mit her­ kömmlichen Apparategrößen realisiert werden können, ohne die Nachteile in Kauf nehmen zu müssen, die bei einem sonst erforderlichen Wechsel von einsträngigen auf mehrsträngige Konzepte entstehen. In der Regel sind die baugrößenkritischen Kompo­ nenten einer herkömmlichen Hochdruck-Ammoniaksynthese der Synthesegasverdich­ ter und die heißen Apparate des Hochdruck-Synthesekreislaufs. Diese alle werden bei der vorliegenden Erfindung tendenziell entlastet, da der zweite Teil des Synthesegas­ verdichters nur noch einen Teil des Gesamtsynthesegases auf den hohen Druck ver­ dichten muss, nämlich nur noch den Teil, der nicht schon im Niederdrucksystem zu Produkt umgesetzt und auskondensiert wurde. Darüber hinaus bewirkt der geringere Inertenspiegel im Hochdruck-Synthesekreislauf, dass der Hochdruck-Synthesekreislauf bei gleicher Produktion insgesamt kleiner gebaut werden kann als in einer Anlage mit nur einem Reaktionssystem. Statt von vorne herein kleiner zu bauen, lassen sich diese günstigen Eigenschaften auch dazu benutzen, vorhandene Anlagen in ihrer Kapazität entsprechend zu erweitern.

Fig. 2 stellt eine Möglichkeit dar, den Synthesegasrest 11 nach seiner Nachverdichtung 12 in das nachfolgende Synthesesystem 13 (gestrichelt dargestellt) einzubinden, vorzugsweise wenn es sich um eine Neuanlage handelt. Hierbei leitet man das in der Verdichtung 12 nachverdichtete Synthesegas an einer Stelle nach der Ammoniakabscheidung 24, aber noch vor dem Ammoniakreaktor 22 in den Kreislauf ein, in der Regel direkt vor der Kreislaufverdichtung 21, es ist jedoch auch möglich, abweichend von der Darstellung in Fig. 2 die Synthesegaszuführung 20 nach der Kreislaufverdichtung 21 anzuordnen. In der Kreislaufverdichtung 21 werden die Druckverluste der einzelnen Verfahrensschritte innerhalb des Kreislaufsystems aus­ geglichen. Hinter der Kreislaufverdichtung 21 sind der Ammoniakreaktor 22, der übli­ cherweise aus mehreren Abschnitten mit Zwischenkühlung besteht, die Kühl- und Kondensationsstrecke 23 für das gebildete Ammoniak und die Ammoniakabschei­ dung 24, bei der flüssiges Ammoniak 14 gewonnen wird, angeordnet. Die Spülgas­ ausschleusung 25 erfolgt an dem Ort der höchsten Konzentration von Inertgas­ bestandteilen bei niedriger Temperatur, was die nachfolgende Abtrennung der restli­ chen Ammoniakanteile in der Aufbereitungseinheit 16 (siehe Fig. 1) erleichtert. Das restliche Kreislaufgas 26 wird zur Synthesegaszuführung 20 geführt, womit sich der Kreislauf schließt.

Fig. 3 stellt eine weitere Möglichkeit dar, den Synthesegasrest 11 nach sei­ ner Nachverdichtung 12 in das zweite Synthesesystem 13 (gestrichelt dargestellt) ein­ zubinden, sowohl bei einer Neukonzeption als auch bei einer bestehenden Anlage, die bei hohem Druck betrieben wird. Hierbei wird das in der Verdichtung 12 nachver­ dichtete Synthesegas zwischen dem Hochdruck-Reaktionssystem und der Produktab­ scheidung eingeleitet. In der Regel wird bei bestehenden Anlagen die Synthesegas­ zuführung 20 in oder nach der Kühl- und Kondensationsstrecke 23a bzw. 23b, jedoch vor der Ammoniakabscheidung 24 angeordnet. In der anschließenden Kreislaufver­ dichtung 21 werden die Druckverluste der einzelnen Verfahrensschritte innerhalb des Kreislaufsystems ausgeglichen. Hinter der Kreislaufverdichtung 21 ist der Ammoniakre­ aktor 22, der üblicherweise aus mehreren Abschnitten mit Zwischenkühlung besteht, angeordnet. Die Spülgasausschleusung 25 erfolgt wiederum am Ort der höchsten Inertenkonzentration. Das restliche Kreislaufgas 26 wird zur Synthesegaszuführung 20 geführt, womit der Kreislauf geschlossen wird.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, in der mehrere Synthesesysteme 27, darge­ stellt innerhalb eines mit "n" bezeichneten, gestrichelten Kastens, wobei "n" für eine beliebige Zahl ab 1 steht, hintereinander mit Synthesegas beaufschlagt werden und nur das letzte Synthesesystem 13 als Kreislauf-Synthesesystem ausgeführt wird. Alle eingefügten Synthesesysteme 27 erzeugen flüssiges Ammoniak 28. Sie weisen eine nachgeschaltete Verdichtungsstufe 29 auf und es können optional Rückführströme 30 dem eingesetzten Synthesegas zugemischt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von 2 Berechnungsbeispielen nä­ her erläutert. Das erste Berechnungsbeispiel zeigt eine erfindungsgemäße Anlage zur Erzeugung von Ammoniak, wie sie im Falle einer Neukonzeption ausgelegt wird. Das zweite Berechnungsbeispiel zeigt eine erfindungsgemäße Anlage zur Erzeugung von Ammoniak, wie sie im Falle einer Nachrüstung einer bestehenden Altanlage ausgelegt wird. Da die jeweiligen Möglichkeiten der Optimierung des Verfahrens in vielgestaltiger Weise von den jeweiligen Umgebungsbedingungen der Anlage, z. B. Klima, Rohstoff­ versorgung, Infrastruktur und dergleichen abhängen, ist es dem Fachmann jedoch möglich, von den beispielgebenden Mengenstromverhältnissen abzuweichen, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Die in den beiden Tabellen benutzten Ziffern beziehen sich auf die Bezugs­ ziffern der Figuren, insbesondere Fig. 1, die Mengenströme sind in t/h angeben, die Konzentrationen der Gase in Mol-%. Die Produktionskapazität ergibt sich jeweils aus der Addition der Ströme 10, 14 und 17.

Berechnungsbeispiel 1

Auslegung einer Neuanlage für eine gesamte Pro­ duktionskapazität von 2000 t/Tag Ammoniak

Berechnungsbeispiel 2

Auslegung einer Nachrüstung für eine Anlage, de­ ren Produktionskapazität auf 1500 t/Tag Ammoniak ausgelegt ist und die nach einem gängigen Hochdruckverfahren produziert, auf eine neue Produktionskapazität von 1839 t/Tag Ammoniak

Die Berechnungsbeispiele dürfen jedoch nicht so verstanden werden, dass der größte Teil der Ammoniakerzeugung im letzten Reaktionssystem zu erfolgen hätte. Je nachdem, wie viele Synthesesysteme nacheinander angeordnet werden, ist es auch möglich, nur einen relativ kleinen Teil der Gesamtproduktion in dem letzten Synthese­ system zu erzeugen.

Bezugszeichenlegende

1

frisches Synthesegas

2

Vorverdichtung

3

vorverdichtetes Synthesegas

4

Rückführgas

5

Synthesegas

6

erstes Synthesesystem

7

Frischgasreaktor

8

Kühl- und Kondensationsstrecke

9

Ammoniakabscheider

10

flüssiges Ammoniak

11

Synthesegasrest

12

Nachverdichtung

13

nachfolgendes Synthesesystem

14

flüssiges Ammoniak

15

Spülstrom

16

Aufbereitungseinheit

17

flüssiges Ammoniak

18

Inertgasausschleusung

19

Rückführung

20

Synthesegaszuführung

21

Kreislaufverdichtung

22

Ammoniakreaktor

23

Kühl- und Kondensationsstrecke

23

a, b Kühl- und Kondensationsstrecke (geteilte Darstellung)

24

Ammoniakabscheidung

25

Spülgasausschleusung

26

Kreislaufgas

27

Synthesesysteme

28

flüssiges Ammoniak

29

Verdichtungsstufen

30

Rückführströme

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Ammoniak aus frischem Synthesegas, welches außer den Reaktanten Wasserstoff und Stickstoff inerte Bestandteile enthält, in mindestens zwei Reaktionssystemen, wobei die Synthese von Ammoniak aus Synthesegas nacheinander in verschiedenen Synthesesystemen erfolgt, wobei in allen Synthesesystemen aus jeweils einem Teil des Synthesegases Ammoniak erzeugt und davon ein Teil ausgeschleust wird, dadurch gekennzeichnet, dass jedes nachfolgende Synthesesystem einen höheren Druck als das jeweils vorangegangene Synthesesystem aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Synthese­ system als Frischgassystem ausgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Ausnahme des letzten Synthesesystems alle Synthesesysteme als Frischgassys­ teme ausgeführt sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das letzte Synthesesystem als Kreislaufsystem ausgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Synthesesystem durch mindestens eine Verdichtungsstufe von dem jeweils darauf folgenden Synthesesystem getrennt ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spülgasstrom, der aus einem Synthesesystem mit einem höheren Druck ausge­ schleust wird, nach Abtrennung und Ausschleusung von Inertgasbestandteilen, Ammoniak und möglichen weiteren Gasbestandteilen als Einsatzstrom in ein Syn­ thesesystem mit einem niedrigeren Druck eingespeist wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Spülgasstrom derart dimensioniert wird, dass die Anreicherung mit Inerten in dem System mit dem höchsten Druck nicht mehr als 10 mol.% beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Frischgasreaktor Katalysatormaterial eingesetzt wird, welches Magnetit mit Promotoren für Niederdrucksysteme enthält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Frischgasreaktor Katalysatormaterial eingesetzt wird, welches Edelmetall enthält und hochaktiv ist.